Einfache Metaoberflächen bieten Kontrolle über die Reibung an Materialschnittstellen – Physics World

Forscher in Frankreich haben eine neue Technik zur Feinabstimmung der Reibungskräfte an den Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien entwickelt. Julien Scheibert und Kollegen an der Universität Lyon verwendeten einfache und leicht anpassbare Metaoberflächen, um spezifische Reibungskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen Glas- und Elastomerproben zu erzeugen.

Von Touchscreens bis hin zu Roboterhänden sind Reibungskontakte eine Schlüsselkomponente vieler moderner Geräte. Um ihre Leistung zu optimieren, müssen Designer die Reibungskräfte an Materialschnittstellen genau kontrollieren. Trotz jahrhundertelanger sorgfältiger Untersuchungen verfügen wir jedoch immer noch nicht über eine zuverlässige Methode zur Vorhersage des Reibungskoeffizienten an einer bestimmten Grenzfläche.

Die Hauptschwierigkeit beim Verständnis der Reibung ist die schiere Vielfalt der Texturen auf Oberflächen. Die Größe von Oberflächenmerkmalen kann mehrere Größenordnungen umfassen: von der atomaren bis zur Millimeterskala. Da alle diese Merkmale die Reibung zwischen zwei Oberflächen beeinflussen können, ist es oft unglaublich schwierig, Reibungskoeffizienten anhand erster Prinzipien zu berechnen.

Derzeit gibt es zwei Haupttechniken zur Optimierung der Reibung zwischen Oberflächen. Eine Methode besteht darin, einfach ein Materialpaar auszuwählen, das das richtige Maß an Reibung erfährt. Allerdings verfügen diese Materialien häufig nicht über die weiteren Eigenschaften – thermische, elektrische etc. – die für eine bestimmte Anwendung erforderlich sind.

Schlechtes Verständnis

„Die zweite Technik besteht darin, künstliche Mikrotexturen auf den Oberflächen zu erzeugen“, erklärt Scheibert. „Aber da der Zusammenhang zwischen Textur und Reibung noch immer kaum verstanden ist, werden geeignete Texturen normalerweise erst nach langen und kostspieligen experimentellen Kampagnen identifiziert.“

In ihrer Studie verbesserte Scheiberts Team den mikrotexturalen Ansatz durch die Verwendung sehr einfacher Metaoberflächen, die aus quadratischen Anordnungen von Kugelkappen bestehen. Jeder Kappe kann eine bestimmte Höhe im Verhältnis zu den anderen Kappen zugewiesen werden (siehe Abbildung).

„Unter diesen Bedingungen kann die [Reibungs-]Reaktion der Schnittstelle genau modelliert werden und die Liste der Höhen, die das angestrebte Reibungsverhalten bieten, kann bestimmt werden, bevor die Oberflächen tatsächlich hergestellt werden“, erklärt Scheibert. Auf diese Weise konnte das Team verschiedene Texturen entwickeln, um beim ersten Versuch das gewünschte Maß an Grenzflächenreibung zu erreichen.

Die Forscher testeten ihren Ansatz, indem sie Metaoberflächen auf zentimetergroßen Proben eines gummiartigen Elastomers präparierten. Auf jeder Oberfläche befand sich ein Gitter aus 64 Kugelkappen aus Elastomer. Die Höhe, in der jede Kappe aus der Oberfläche herausragt, wird individuell festgelegt, sodass das Team eine Reihe unterschiedlicher Metaoberflächen erstellen kann.

Die Reibung wird gemessen, indem ein flaches Stück Glas auf die Metaoberfläche gelegt und nach unten gedrückt wird, während das Glas entlang der Metaoberfläche gezogen wird. Durch die systematische Anpassung der Struktur der Metaoberflächen könnten spezifische Reibungskoeffizienten an der Grenzfläche erzeugt werden.

Zwei unterschiedliche Reibungskoeffizienten

Der Ansatz funktionierte, ohne dass eine Berechnung der Reibungskräfte nach dem ersten Prinzip erforderlich war und ohne die Eigenschaften der Materialien selbst zu verändern. „Darüber hinaus haben wir Kontakte mit zwei unterschiedlichen Reibungskoeffizienten vorbereitet, die von der auf die Schnittstelle ausgeübten Kompression abhängen – ein Verhalten, das in der Natur sehr selten vorkommt“, fügt Scheibert hinzu.

Reibung erledigt das schwere Heben in Seilen und Garnen

Mit diesem schnellen und kostengünstigen Ansatz war Scheiberts Team in der Lage, eine Vielzahl bekannter Reibungsgesetze in ihren Experimenten zu reproduzieren: einschließlich linearer Gesetze, bei denen der Reibungskoeffizient konstant bleibt, wenn die Scherkräfte an der Grenzfläche zunehmen; und komplexere nichtlineare Gesetze, bei denen dieser Koeffizient mit der Scherkraft variiert.

Während sie ihre Technik weiter verbessern, stellen sich die Forscher ein breites Anwendungsspektrum für ihren anpassbaren Metaoberflächen-Ansatz vor. „Die Schaffung von Kontaktschnittstellen, die einem bestimmten Reibungsverhalten entsprechen, ist der Heilige Gral der Tribologie“, sagt Scheibert.

„Unsere Designstrategie bietet neue Werkzeuge für die Vorbereitung solcher Reibungsschnittstellen. Dies könnte möglicherweise Möglichkeiten in verschiedenen anspruchsvollen Bereichen eröffnen, vom Sport bis zur Soft-Robotik. Wenn unsere Metaschnittstellen zusätzlich mit Sensoren und Aktoren ausgestattet sind, halten sie sogar das Versprechen intelligenter Kontaktschnittstellen mit Echtzeit-Reibungsabstimmung.“

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/